Tipos de transductores
Transductores son elementos que transforman una magnitud física en una señal eléctrica. Se
pueden clasificar en dos grupos: Activos y pasivos. Son transductores activos los que hay que conectar
a una fuente externa de energía eléctrica para que puedan responder a la magnitud física a medir como
por ejemplo las fotoresistencias y termoresistencias, y son pasivos los que directamente dan una señal
eléctrica como respuesta a la magnitud física como los fotodiodos y las sondas de pH.
Se denomina función de transferencia de un transductor a la relación matemática entre la magnitud física y la respuesta eléctrica. Dicha función puede ser de diferentes tipos. Una función de transferencia lineal tiene por expresión S = a + bs donde S es la señal eléctrica, a y b son constantes y s es la señal física específica de cada transductor. Las funciones de transferencias no lineales pueden ser tambien de diferntes tipos: logarítmicas, como S = a + b Lns; exponenciales, como S = aebs ; polinómicas como S = a + b s + c s2+ d s3 + …
Transductores de conductividad
Para medir la conductividad de una disolución se emplea la celda de conductividades, que consiste en un par de electrodos plano-paralelos de Platino separados una cierta distancia. Cuando se conecta una fuente de tensión externa a los electrodos y se sumerge la celda en una disolución iónica, los iones se mueven debido al campo eléctrico que existe entre los electrodos. Si la fuente de tensión es de corriente continua, los iones que van llegando a los electrodos absorben o ceden electrones y se produce el fenómeno de electrolísis. Sin embargo, si se está interesado solo en el fenómeno del movimiento de los electrones por la disolución, el fenómeno de electrolísis es un efecto contraproducente.
La resistencia R es conocida, tal que midiendo la ddp entre sus extremos (ddpR) permie conocer la intensidad de la corriente que circula por la celda. Si medimos la ddp en los extremos de la celda (ddpC) y aplicamos Ohm tendremos la resistencia de la celda (RC)
Transductores de temperatura
Termoresistencias
Son conductores cuya resistencia varia con la temperatura. La función de transferencia de las termoresistencias es en general:
Donde:
Ro es la resistencia a una temperatura To (medida en grados Kelvin) de referencia. Un elemento conductor que se emplea es el Platino, para el cual se tienen los siguientes valores numéricos de los coeficientes: a1 = 3.85x10-3 K-1, a2 = -5.83x10-7 K -2 .
Si se consigue que a la temperatura de 273 K el valor de la resistencia sea de 100 ohmios y se desprecian los términos superiores al lineal se tiene finalmente la siguiente expresión para una Pt-100
Termistores:
Son semiconductores cuya resistencia es variable con la temperatura.Para un semiconductor intrínseco o poco dopado, la resistencia disminuye cuando aumenta la
temperatura. Por ello se denomina termistor NTC (Negative Temperature Coeficient).
Para un semiconductor muy dopado, la variación de la resistencia con la temperatura es contraria al
caso anterior, esto es, aumenta la resistencia si aumenta la temperatura (al igual como los conductores).
Por ello se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient). Para un rango pequeño de temperaturas (una variación máxima de 50º C), las resistencias NTC tienen una dependencia con la temperatura de la forma
donde Ro es la resistencia a To (temperatura Kelvin), que se toma por convenio 298 K (25º C). El valor de la constante B se suele determinar midiendo la resistencia de la NTC a dos temperaturas
Transductores luminosos
La luz: naturaleza ondulatoria. Intensidad luminosa.
La naturaleza electromagnética de la luz fue demostrada teóricamente por Maxwell quien encontró que los campos eléctrico y magnético cumplían una ecuación de ondas cuya velocidad de propagación coincidía numéricamente con la velocidad de la luz medida en varios experimentos. Si se tiene una hilera de partículas y la primera de ellas empieza una movimiento armónico simple, las partículas siguientes realizan también este m.a.s. La propagación de un m.a.s. a lo largo de una hilera de partículas se denomina onda o movimiento ondulatorio. La ecuación de una onda es: diferentes y despejándola de:
En una onda se cumplen las siguientes expresiones
donde ω = pulsación de la onda; f = frecuencia; λ = longitud de onda; T = período; v = velocidad de propagación
Transductores electroquimicos
Electrodos
Se denomina electrodo o semipila al sistema formado por un elemento químico o algún compuesto de este elemento y agua pura o alguna disolución acuosa de otro compuesto del mismo elemento químico, de modo que espontáneamente el elemento químico sufre una oxidación o una reducción. Ejemplos típicos de electrolitos pueden ser: Una barra de Zn sumergida en agua pura o en disolución de SO4Zn. En este electrodo, el Zn metálico
se oxida y se disuelve en el agua. Los electrones que pierde el Zn se quedan en el conductor.
Una barra de cobre sumergida en disolución de SO4Cu. En este electrodo los iones Cu de la
disolución se reducen y se incorporan al Cu metálico. Los electrones que necesita el ión Cu los toma
del Cu metálico.
Cloro gaseoso que se hace burbujear en una disolución de cloruro. En este electrodo los iones cloruro
se oxidan y pasan a forma gaseosa. Los electrones que desprende el ión cloro se pueden recoger en una
barra sólida de un metal noble para que no intervenga en la reacción de oxidación.
En todos los tipos de electrodos, la reacción redox empieza en el instante en ponerse en contacto los dos componentes los cuales van cargándose hasta llegar un momento en que la propia carga impide nuevas reacciones redox, esto es, se llega a un equilibrio en el que si se produce una nueva reacción redox, también se produce la contraria. Por ejemplo, en el electrodo de Zn al principio los átomos de la barra metálica pasan al agua, dejando los electrones en la propia barra. Así el agua se carga positivamente con los iones Zn y la barra se carga negativamente con los electrones perdidos por los átomos que se han ionizado y han pasado al agua.
Al final se establece el equilibrio entre átomos que se ionizan y pasan al agua y iones que absorben electrones de la barra y pasan a átomos neutros. En este equilibrio existirá una d.d.p entre la barra metálica de Zn y el agua donde se han disuelto iones de Zn. Esta ddp se denomina potencial del electrodo Un potencial de electrodo no se puede medir, pues para ello habría que colocar un contacto eléctrico en cada uno de los componentes del electrodo, con lo cual se introducirían nuevos electrodos, los formados por los cables del voltímetro y la disolución, y se estaría midiendo la suma de las ddp de todos los electrodos. En cambio si unimos adecuadamente dos electrodos, sí se puede medir la ddp total en los dos electrodos. Como ejemplo explicaremos la forma de unir un electrodo de Zn y uno de Cu
Se denomina función de transferencia de un transductor a la relación matemática entre la magnitud física y la respuesta eléctrica. Dicha función puede ser de diferentes tipos. Una función de transferencia lineal tiene por expresión S = a + bs donde S es la señal eléctrica, a y b son constantes y s es la señal física específica de cada transductor. Las funciones de transferencias no lineales pueden ser tambien de diferntes tipos: logarítmicas, como S = a + b Lns; exponenciales, como S = aebs ; polinómicas como S = a + b s + c s2+ d s3 + …
Transductores de conductividad
Para medir la conductividad de una disolución se emplea la celda de conductividades, que consiste en un par de electrodos plano-paralelos de Platino separados una cierta distancia. Cuando se conecta una fuente de tensión externa a los electrodos y se sumerge la celda en una disolución iónica, los iones se mueven debido al campo eléctrico que existe entre los electrodos. Si la fuente de tensión es de corriente continua, los iones que van llegando a los electrodos absorben o ceden electrones y se produce el fenómeno de electrolísis. Sin embargo, si se está interesado solo en el fenómeno del movimiento de los electrones por la disolución, el fenómeno de electrolísis es un efecto contraproducente.
La resistencia R es conocida, tal que midiendo la ddp entre sus extremos (ddpR) permie conocer la intensidad de la corriente que circula por la celda. Si medimos la ddp en los extremos de la celda (ddpC) y aplicamos Ohm tendremos la resistencia de la celda (RC)
Figura 1.
Transductores de temperatura
Termoresistencias
Son conductores cuya resistencia varia con la temperatura. La función de transferencia de las termoresistencias es en general:
Donde:
Ro es la resistencia a una temperatura To (medida en grados Kelvin) de referencia. Un elemento conductor que se emplea es el Platino, para el cual se tienen los siguientes valores numéricos de los coeficientes: a1 = 3.85x10-3 K-1, a2 = -5.83x10-7 K -2 .
Si se consigue que a la temperatura de 273 K el valor de la resistencia sea de 100 ohmios y se desprecian los términos superiores al lineal se tiene finalmente la siguiente expresión para una Pt-100
Termistores:
Son semiconductores cuya resistencia es variable con la temperatura.
Por ello se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient). Para un rango pequeño de temperaturas (una variación máxima de 50º C), las resistencias NTC tienen una dependencia con la temperatura de la forma
donde Ro es la resistencia a To (temperatura Kelvin), que se toma por convenio 298 K (25º C). El valor de la constante B se suele determinar midiendo la resistencia de la NTC a dos temperaturas
Transductores luminosos
La luz: naturaleza ondulatoria. Intensidad luminosa.
La naturaleza electromagnética de la luz fue demostrada teóricamente por Maxwell quien encontró que los campos eléctrico y magnético cumplían una ecuación de ondas cuya velocidad de propagación coincidía numéricamente con la velocidad de la luz medida en varios experimentos. Si se tiene una hilera de partículas y la primera de ellas empieza una movimiento armónico simple, las partículas siguientes realizan también este m.a.s. La propagación de un m.a.s. a lo largo de una hilera de partículas se denomina onda o movimiento ondulatorio. La ecuación de una onda es: diferentes y despejándola de:
En una onda se cumplen las siguientes expresiones
donde ω = pulsación de la onda; f = frecuencia; λ = longitud de onda; T = período; v = velocidad de propagación
Transductores electroquimicos
Electrodos
Se denomina electrodo o semipila al sistema formado por un elemento químico o algún compuesto de este elemento y agua pura o alguna disolución acuosa de otro compuesto del mismo elemento químico, de modo que espontáneamente el elemento químico sufre una oxidación o una reducción. Ejemplos típicos de electrolitos pueden ser:
En todos los tipos de electrodos, la reacción redox empieza en el instante en ponerse en contacto los dos componentes los cuales van cargándose hasta llegar un momento en que la propia carga impide nuevas reacciones redox, esto es, se llega a un equilibrio en el que si se produce una nueva reacción redox, también se produce la contraria. Por ejemplo, en el electrodo de Zn al principio los átomos de la barra metálica pasan al agua, dejando los electrones en la propia barra. Así el agua se carga positivamente con los iones Zn y la barra se carga negativamente con los electrones perdidos por los átomos que se han ionizado y han pasado al agua.
Al final se establece el equilibrio entre átomos que se ionizan y pasan al agua y iones que absorben electrones de la barra y pasan a átomos neutros. En este equilibrio existirá una d.d.p entre la barra metálica de Zn y el agua donde se han disuelto iones de Zn. Esta ddp se denomina potencial del electrodo Un potencial de electrodo no se puede medir, pues para ello habría que colocar un contacto eléctrico en cada uno de los componentes del electrodo, con lo cual se introducirían nuevos electrodos, los formados por los cables del voltímetro y la disolución, y se estaría midiendo la suma de las ddp de todos los electrodos. En cambio si unimos adecuadamente dos electrodos, sí se puede medir la ddp total en los dos electrodos. Como ejemplo explicaremos la forma de unir un electrodo de Zn y uno de Cu
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